Sustainable catalytic systems based on imidazole derivatives

Resumen

La presente tesis doctoral describe el desarrollo de diversos sistemas catalíticos basados en derivados del imidazol y ha sido dividida en cuatro capítulos. El capítulo 1 describe una novedosa mezcla de bajo punto de transición (LTTM, del inglés Low Transition Temperature Mixture) compuesta por cloruro de 1-metil-3-(metoxicarbonilmetil)imidazolio (mcmimCl) y urea. Desde su descubrimiento a principios de la década de los 2000, los LTTMs han sido estudiados como una alternativa sostenible y altamente modulable a los disolventes convencionales (conocidos comúnmente como VOCs, del inglés Volatile Organic Compounds), cuyo uso presenta problemas entre los que se incluyen polución atmosférica, toxicidad hacia el medio ambiente y baja biodegradabilidad. En términos generales, los LTTMs consisten en mezclas de dos o más componentes cuya interacción ocasiona una depresión en el punto de fusión del sistema. La definición es lo suficientemente amplia como para aunar diversos sistemas, entre los que se encuentran los DES (del inglés Deep Eutectic Solvents) y las mezclas ideales con bajo punto de transición. El modo de interacción varía según el tipo de mezcla, pero el más conocido es la interacción entre un aceptor de enlaces de hidrógeno (HBA, del inglés Hydrogen Bond Acceptor, comúnmente un haluro metálico o una sal orgánica) y un donor de enlaces de hidrógeno (HBD, del inglés Hydrogen Bond Donor, alcoholes, agua, aminas, etc.). Miles de componentes son compatibles con la formación de LTTMs, lo que les proporciona una modularidad incomparable. Además, muchos de ellos (urea, glicerol, glúcidos, etc.) proceden de fuentes renovables, por lo que el impacto medioambiental de su uso es reducido en comparación con disolventes convencionales. Los LTTM comparten cierta similitud con los líquidos iónicos (ILs, del inglés Ionic Liquids), por definición, sales orgánicas con puntos de fusión menores a 100 ºC. Estas sustancias presentan una serie de ventajas análogas a los LTTMs, entre las que se encuentran nula volatilidad y alta modularidad. Entre las estructuras más utilizadas para la producción de ILs se encuentran las sales de imidazolio, cuya gran estabilidad, bajo punto de fusión y síntesis generalmente sencilla las hace ideales para este rol. Además, presentan una acidez de Lewis significativa al igual que la posibilidad de formar carbenos N-heterocíclicos (NHCs, del inglés N-Heterocyclic Carbenes), por lo que resultan idóneas como disolventes catalíticamente activos para llevar a cabo ciertos procesos. En su momento, los ILs fueron considerados como una gran alternativa a los VOCs. Sin embargo, el coste de producción de ILs es elevado, son persistentes en el medio ambiente y su toxicidad puede ser importante, por lo que, a lo largo de la segunda mitad de la década de los 2000, fueron relegadas a usos específicos. Las sales de imidazolio son compatibles con la formación de LTTMs (normalmente como HBA), aunque tan sólo existen algunos precedentes en la bibliografía, principalmente debido a la asociación de éstas con los ILs. Sin embargo, esta aplicación ofrece un gran potencial, ya que el hipotético LTTM debería mantener la mayoría de las propiedades relevantes de las sales de imidazolio (i.e., acidez de Lewis, formación de NHCs, etc.), estando compuesto en su mayoría por una sustancia biodegradable y de bajo coste. Con esta premisa en mente, cuatro sales derivadas de aminoácidos de conocida actividad catalítica, 1,3-bis(carboximetil)imidazol (bcmim), su clorhidrato (bcmimCl), cloruro de 1- (carboximetil)-3-metilimidazolio (cmimCl) y mcmimCl fueron combinadas como HBA con urea o cloruro de guanidinio (como HBD) en proporción molar 1:1 y analizadas por calorimetría diferencial de barrido (DSC, del inglés Differential Scanning Calorimetry) a fin de determinar la formación de LTTMs por análisis de los eventos térmicos presentes. Utilizando urea como HBD, se apreció una depresión en el punto de fusión en todas las mezclas, con cmimCl y mcmimCl formando LTTMs a temperatura cercana a ambiente. El uso de cloruro de guanidinio no fue tan exitoso, ya que tan sólo se observó formación de mezclas con éstos últimos. Ya que el cmimCl deriva del mcmimCl y no dio tan buenos resultados, el sistema compuesto por mcmimCl y urea fue seleccionado para estudios posteriores. De este modo, una serie de mezclas cubriendo el rango completo de composiciones fueron preparadas y analizadas por DSC, obteniendo los correspondientes diagramas de composición-punto de fusión y entalpía de formación-punto de fusión. La temperatura más baja registrada fue de 35.2 ºC para la mezcla con χmcmimCl = 0.66, aunque los puntos de fusión de las mezclas se mantienen en torno a ambiente para un rango relativamente amplio de composiciones e inferiores a 100 ºC en todos los casos. Tras estudiar el comportamiento térmico del sistema, se decidió aplicar el LTTM a la oxidación de compuestos de boro a alcoholes. Esta reacción se suele llevar a cabo con catalizadores metálicos y/o utilizando gran exceso de peróxido de hidrógeno concentrado, cuyo uso requiere precauciones para evitar accidentes, debido a su gran reactividad. En este sentido, el uso de reactivos más seguros, como el aducto de urea y peróxido de hidrógeno (UHP, del inglés Urea-Hydrogen Peroxide adduct) es deseable aunque, hasta el momento, tan sólo un trabajo describe el uso de este oxidante para la transformación de interés. En general, la UHP es estable, liberando el oxidante a temperaturas superiores a 70 ºC o mediante catálisis. De acuerdo al mecanismo de formación del LTTM (que implica la formación de enlaces de hidrógeno entre la urea y el anión de la sal de imidazolio), la interacción entre los componentes debería ser capaz de forzar la liberación de peróxido de hidrógeno de la UHP. Ya que esto ocurre lentamente a temperatura ambiente, el sistema mcmimCl:UHP liberaría peróxido de hidrógeno al medio de forma continuada, incrementando la eficiencia. Para el primer experimento, la formación de 4-fenilfenol a partir del ácido borónico correspondiente fue seleccionada como modelo. Sin embargo, la elevada oxofilia del boro implica un mecanismo altamente exotérmico, que acelera la formación del LTTM y la liberación de más oxidante en el medio, causando el descontrol térmico del proceso. A modo de solución, el ácido borónico se añadió suspendido en acetato de etilo (un disolvente sostenible, que sería necesario añadir de cualquier modo para extraer el producto). El acetato de etilo es inmiscible con el LTTM y la solubilidad de los compuestos de boro de interés es baja en él, mientras que la de los alcoholes resultantes de la reacción es muy alta. De esta forma, cumple el triple rol de disminuir la velocidad de reacción, extraer el producto y proporcionar masa térmica para el proceso. Con este procedimiento, la transformación del ácido bifenilborónico en el producto correspondiente se produjo con rendimiento cuantitativo y obteniendo el producto puro tras simple decantación y filtrado de la fase orgánica. A continuación, se estudió el alcance de la reacción, obteniendo un total de 18 alcoholes aromáticos a partir de los correspondientes ácidos borónicos con rendimientos buenos a cuantitativos y en escalas preparativas de hasta 5 milimoles. No se observó influencia alguna de la naturaleza electrónica de los sustituyentes en el resultado del proceso, aunque sí se detectó un efecto estérico notable para sustratos impedidos. En ningún caso fue necesario purificar los productos obtenidos. El uso de ésteres borónicos y trifluoroboratos de potasio resultó ser compatible con el proceso, obteniendo 5 productos más, entre los que se incluyen alcoholes alifáticos, con rendimientos de buenos a cuantitativos sin purificación adicional. A fin de explorar la reusabilidad del sistema, se diseñó un proceso de síntesis secuencial, en la que el LTTM se recargó con reactivo y un equivalente de UHP tras el primer ciclo de reacción. De esta forma, la reacción se llevó a cabo tres veces consecutivas sin pérdida de actividad catalítica. Finalmente, el impacto medioambiental del proceso se determinó de manera objetiva mediante el uso de métricas de sostenibilidad, obteniendo un E-factor de 9.4 (cercano al rango de producción en masa de productos químicos), un VMR (calculado a partir del rendimiento de la reacción, economía atómica del proceso, factor estequiométrico, factor de recuperación y eficiencia másica de reacción) de 0.611 (de un máximo de 1) y una puntuación EcoScale de 81 (excelente). En comparación con otros métodos descritos, con puntuaciones inferiores en general, el uso del LTTM formado por mcmimCl y UHP ofrece una significativa mejora en términos de sostenibilidad y seguridad. El capítulo 2 recoge los resultados obtenidos en el estudio de un LTTM basado en hierro(III) y cloruro de 1-butil-3-(metoxicarbonilmetil)imidazolio (IBIS, del inglés Iron-Based Imidazolium Salt) como catalizador para la síntesis de quinazolinas. El desarrollo de nuevas metodologías sintéticas para esta familia de compuestos es de elevado interés por su presencia en gran variedad de moléculas con actividad biológica, incluyendo alcaloides naturales y fármacos. En particular, las quinazolinas 2,4-disustituidas han demostrado actividad antibacteriana, antineoplásica y antifúngica. La mayoría de métodos descritos para su preparación parten de derivados del ácido antranílico (2-aminobenzoico) en combinación con sintones de uno o dos átomos. Entre estos procedimientos, la condensación- ciclación de 2-aminobenzofenonas o 2-aminobenzaldehídos con bencilaminas es uno de los más populares, por su aparente sencillez y posibilidad de control absoluto de los patrones de sustitución de los compuestos resultantes. Sin embargo, este proceso requiere altas temperaturas para completar el paso de ciclación de la imina resultante de la condensación del carbonilo y la bencilamina a la correspondiente tetrahidroquinazolina, así como la presencia de especies oxidantes en el medio para la aromatización de esta a la quinazolina final. De este modo, la mayor parte de las metodologías descritas en la bibliografía utilizan disolventes de alto punto de ebullición (xileno, tolueno, etc.) y oxidantes para llevar a cabo el proceso. Entre estos, el más común es el hidroperóxido de terc-butilo (TBHP, del inglés tert-Butyl Hydroperoxide), un peróxido orgánico fuertemente oxidante. Desde un punto de vista sostenible y práctico, el uso de disolventes y reactivos peligrosos es indeseable. El IBIS es un catalizador multipropósito con carácter ácido de Lewis y redox, capaz de llevar a cabo procesos de oxidación utilizando el oxígeno del aire como oxidante terminal. Asimismo, tratándose de un LTTM, favorece la integración de los componentes de la reacción, incluso en proporción catalítica, eliminando la necesidad de utilizar disolvente adicional. De este modo, la reacción entre la 2-aminobenzofenona y la bencilamina en presencia de 10% (en mol) de IBIS fue seleccionada como modelo para llevar a cabo estudios de optimización. En la primera reacción a 110 ºC durante 16 h, la formación de 2,4-difenilquinazolina fue de tan sólo un 12%, aunque la conversión total del producto de partida a la 2,4-difeniltetrahidroquinazolina fue de más de un 70%. Dado el uso de tubos estrechos de vidrio y la ausencia de disolvente, se teorizó acerca de la posibilidad de que se estuviese formando una atmósfera pobre en oxígeno dentro del recipiente por mala convección. De este modo, insertando una corriente de aire dentro de la reacción, la conversión a producto aumentó a un 41%. Finalmente, incrementando la temperatura a 130 ºC y el tiempo de reacción a 24 h, se obtuvo una conversión a 2,4-difenilquinazolina de un 97%. Con las condiciones de reacción optimizadas, se procedió al estudio del alcance de la reacción. Una serie de 2-aminobenzofenonas fueron combinadas con bencilamina en presencia de IBIS, obteniendo las correspondientes 2,4-difenilquinazolinas con buenos rendimientos. La metodología fue asimismo aplicada a sustratos alquílicos y 2-aminobenzaldehídos, obteniendo rendimientos moderados a buenos. En este caso, el uso de sustratos pobres en densidad electrónica resultó en tiempos de reacción más prolongados y rendimientos generalmente más bajos que sus homólogos ricos en electrones. Un total de 9 sustratos fueron obtenidos. De la misma forma, se exploraron diferentes derivados de la bencilamina, incluyendo sistemas aromáticos extendidos y heterocíclicos, en combinación con 2-aminobenzofenona, obteniendo un total de 10 quinazolinas en rendimientos de buenos a excelentes. No se observó ninguna tendencia clara de reactividad en este caso. Nuevamente, el impacto medioambiental de la reacción fue estudiado y comparado con otros métodos descritos en la bibliografía mediante métricas de sostenibilidad. En términos generales, el proceso demostró ser comparable con metodologías descritas con catalizadores no metálicos en ausencia de disolvente, y muy superior a procedimientos empleando disolventes y oxidantes. Respecto a los primeros, la metodología catalizada por IBIS ofrece una ventaja significativa por el uso de aire como oxidante terminal, en lugar de oxígeno puro. Explotando el potencial como catalizador redox del IBIS y el elevado potencial de oxidación de la bencilamina, se diseñó un proceso para la preparación de quinazolinas libres en la posición 4, partiendo directamente de 2-nitrobenzaldehído, precursor de los inestables 2-aminobenzaldehídos comúnmente utilizados. Así, la oxidación de la bencilamina (añadida en exceso) mediada por IBIS utilizaría como contraparte la reducción del 2-nitrobenzaldehído, generando el sustrato in situ. De este modo, varios 2-nitrobenzaldehídos fueron ensayados en esta transformación, aunque en ningún caso se obtuvieron rendimientos superiores al 25%, pese a observar conversiones cuantitativas. Tras una serie de ensayos, se llegó a la conclusión de que reacciones secundarias de polimerización eran las responsables del completo consumo del 2-aminobenzaldehído generado, por lo que, por razones de tiempo y escasez de recursos humanos, no se continuó con este estudio. El capítulo 3 contiene un estudio sobre el uso de sólidos iónicos orgánicos (IOS, del inglés Ionic Organic Solids) como catalizadores heterogéneos para la alilación de indoles mediante sustitución nucleófila con alcoholes alílicos. Tradicionalmente, este proceso se ha llevado a cabo empleando sustratos sustituidos en posición alílica con buenos grupos salientes, como haluros, acetatos, tosilatos, etc. El uso de alcoholes alílicos es deseable desde un punto de vista sostenible, ya que los pseudohaluros mencionados anteriormente derivan de éstos, por lo que su uso directo evita un paso de reacción adicional e incrementa la economía atómica del proceso. Sin embargo, los alcoholes son mucho menos reactivos, por lo que requieren la presencia de catalizadores altamente eficientes. En general, las metodologías descritas se dividen en dos categorías en función del modo de activación del sustrato. Por una parte, se encuentran los procesos catalizados por metales preciosos, en los que la reacción ocurre a través de un intermedio π-alílico catiónico. Entre estos procedimientos, la reacción de Tsuji-Trost, catalizada por paladio es el más representativo. Por otra parte, se encuentran las metodologías en las que el alcohol es activado mediante catálisis ácida (de Lewis o Brønsted) utilizando metales de transición o ácidos orgánicos. El uso de metales preciosos, escasos y de alto precio, es indeseable para este tipo de transformaciones. Por otra parte, los ácidos empleados suelen ser especies altamente corrosivas e incompatibles con la humedad (triflatos metálicos o ácidos sulfónicos), con los problemas de manipulación asociados a ello. En este sentido, el uso de IOS ofrece una serie de ventajas, entre las que se encuentran total compatibilidad con el aire y la humedad, facilidad de manipulación, robustez, bajo coste y ausencia total de metales. Además, los IOS basados en sales de imidazolio son capaces de establecer interacciones tipo LTTM con los componentes, proporcionando sustratos altamente activados, así como un medio de dispersión en el que llevar a cabo la reacción. De esta forma, la alilación de indol con (E)-1,3-difenilprop-2-en-1-ol en ausencia de disolvente utilizando bcmim y sus cloruro, bromuro y yoduro correspondientes como catalizadores fue seleccionada como reacción modelo. En las condiciones iniciales, los haluros de bcmim proporcionaron selectivamente el producto de alilación en la posición C-3 del indol en rendimientos cuantitativos. Sin embargo, el bcmim no resultó ser catalíticamente activo en esta transformación, probablemente debido a las fuertes interacciones entre moléculas presentes en su estructura sólida. Debido a su mayor robustez y menor coste, el bcmimCl fue seleccionado para explorar el alcance de la reacción. Empleando las condiciones estándar, 11 ndoles con diferentes sustituyentes (atendiendo a factores electrónicos y estéricos) fueron alilados regioselectivamente en la posición C-3 con rendimientos de buenos a cuantitativos, varios de ellos sin necesidad de purificación posterior. No se observó ninguna influencia electrónica o estérica de los sustituyentes en los anillos de los indoles, salvo en las posiciones 2 (debido a impedimentos estéricos en la interacción tipo LTTM entre los componentes) y 1 (por la formación de un intermedio de reacción formalmente catiónico), en las que se obtuvieron rendimientos ligeramente inferiores. Las condiciones modelo fueron aplicadas también a diferentes alcoholes alílicos simétrica y asimétricamente sustituidos, en combinación con indol. Nuevamente, los productos fueron obtenidos en rendimientos de buenos a cuantitativos como mezclas inseparables de regioisómeros en proporción 1:1 para los alcoholes no simétricos. Aunque esto sugiere la formación de un intermedio carbocatiónico, no se dispone de suficiente información para confirmarlo. Posteriormente, el procedimiento se extendió a la alilación de otros N-heterociclos con alta densidad electrónica. De este modo, pirazoles, triazoles, tetrazoles, carbazoles, indazoles y benzotriazoles demostraron compatibilidad con la metodología diseñada, con los correspondientes alilheterociclos obtenidos en rendimientos de buenos a cuantitativos, nuevamente sin necesidad de purificación adicional para varios productos. En este caso, la alilación se produjo de forma selectiva en los átomos de nitrógeno de los anillos, con sustratos no simétricos resultando en mezclas de regioisómeros de acuerdo con las tendencias esperables. Para demostrar la aplicabilidad de la metodología, la alilación del indol se escaló a 5 milimoles, obteniendo el producto deseado con un rendimiento cuantitativo y puro tras filtrar el catalizador. Asimismo, se llevaron a cabo pruebas de reusabilidad del IOS, disolviendo el producto en acetato de etilo tras la reacción y separando el catalizador sólido por decantación, para después añadir una nueva ronda de reactivos. De este modo, el bcmimCl pudo ser reutilizado hasta 5 veces sin sufrir ninguna clase de reducción en su actividad catalítica, demostrando la gran robustez del IOS. Como en los dos capítulos anteriores, la metodología diseñada se comparó con otros procedimientos descritos en la bibliografía mediante métricas de sostenibilidad. En este caso, el proceso catalizado por bcmimCl demostró ser ampliamente superior a todas las metodologías estudiadas, obteniendo un E-factor de 1.9, un VMR de 0.790 y una puntuación EcoScale de 89. Estos valores indican un procedimiento limpio, seguro y muy eficiente en su diseño. Tras completar este estudio, se diseñó un procedimiento sintético para la preparación de IOS de segunda generación basados en sales de sulfoimidazolio. Los ácidos sulfónicos tienen una acidez de Brønsted varios órdenes de magnitud superiores a sus homólogos basados en carbono. De esta forma, el 1,3-bis(sulfometil)imidazol (bsmim) fue seleccionado como estructura base para el diseño y preparación de IOS de segunda generación. La síntesis del bsmim no tiene precedente en la bibliografía, por lo que se diseñó un procedimiento análogo a la preparación del bcmim mediante reacción de Arduengo con glioxal, formaldehído y ácido aminometanosulfónico. Sin embargo, en las condiciones estándar (2 horas a 95 ºC), la mezcla de reacción se transformó en una pasta negra con un fuerte olor a caramelo de la que no se pudo aislar el producto. Inicialmente, esto se atribuyó a la baja solubilidad del ácido aminometanosulfónico en agua resultando en la polimerización y descomposición del glioxal por tiempo de residencia excesivo en el medio de reacción. Añadiendo 2 mL adicionales de agua, se obtuvo bsmim con un rendimiento de un 41%, aunque con una pureza de tan sólo un 76%. El análisis por resonancia magnética nuclear (RMN) del producto reveló, además de las señales correspondientes al bsmim, la presencia de ácido aminometanosulfónico sin reaccionar y una sal de imidazolio desconocida. De las señales observadas, se identificó el producto como el 1- metil-3-(sulfometil)imidazol (msmim), generado mediante descomposición térmica via extrusión de trióxido de azufre del bsmim. De este modo, la siguiente serie de experimentos tuvieron como objetivo el total consumo del reactivo de partida evitando a la vez la formación de msmim. Tras varias pruebas, ambos problemas fueron solucionados mediante la adición de ácido sulfúrico en cantidad catalítica, obteniendo bsmim puro con un rendimiento del 49%. Pese a que las métricas de sostenibilidad del proceso se ven seriamente afectadas por la baja cantidad obtenida, los valores obtenidos son aceptables (E-factor de 18.5, VMR de 0.623 y EcoScale de 64). En cuanto a la actividad catalítica del bsmim, se decidió compararla con los IOS de primera generación en la síntesis de Friedländer de quinolinas, descrita en la bibliografía. En las mismas condiciones, el proceso catalizado por bsmim obtuvo rendimientos superiores en la preparación de una variedad de quinolinas a aquellos descritos utilizando bcmimCl. Cabe destacar que la comparación real entre generaciones implica al bcmim, que sólo es capaz de generar el producto con un 9% de conversión. Continuando con el estudio de la actividad catalítica del bsmim, la alilación de heterociclos diseñada en la primera parte del capítulo fue la siguiente reacción escogida. Nuevamente, el bsmim demostró una actividad similar a la del bcmimCl en la alilación de varios sustratos, observándose también la misma regioselectividad. El bcmim, sin embargo, no fue capaz de promover la reacción en absoluto, lo que nuevamente demuestra la gran diferencia entre las generaciones de IOS. El capítulo 4 describe la síntesis y caracterización de una serie de estructuras metal-orgánicas (MOFs, del inglés Metal-Organic Frameworks) basadas en derivados del bcmim y sales de zirconio, así como la preparación y estudio de hidrogeles metal-orgánicos (MOGs, del inglés Metal-Organic Gels) obtenidos con los mismos componentes bajo condiciones sintéticas distintas. Los MOFs son una familia de materiales porosos basados en redes bi o tridimensionales formadas por centros metálicos unidos entre sí mediante moléculas orgánicas (conocidas como linkers). Los centros metálicos pueden ser cationes aislados, con modos de coordinación sencillos, o estructuras inorgánicas polidimensionales conocidas como SBUs (del inglés Secondary Building Units), con hasta 66 posiciones de coordinación. En lo que respecta a los linkers, son ligandos orgánicos rígidos con múltiples grupos funcionales con capacidad quelante. La presencia de porosidad permanente es precisamente la propiedad más importante de los MOFs, cuyo origen se encuentra en la rigidez de la estructura reticular. En comparación con otros materiales porosos de origen inorgánico, los MOFs presentan porosidades muy superiores (rondando los 2000 m2/g, con algunas estructuras llegando hasta más de 7000 m2/g), así como una mayor capacidad de modulación. Además del enorme número de componentes disponibles, el concepto de síntesis isoreticular abre la posibilidad de sintetizar un gran número de MOFs partiendo de una misma estructura base. Generalmente, los centros metálicos dictan la geometría de la estructura, mientras que los linkers determinan la distancia entre centros, así como los tamaños de las aperturas presentes en el material. De este modo, es posible utilizar linkers elongados (con unidades rígidas como anillos aromáticos o dobles enlaces) para fabricar MOFs isoreticulares con tamaños de poro y superficies diferentes. Un factor importante a la hora de sintetizar MOFs es la compatibilidad entre el centro metálico y el linker, que responde a la teoría ácido-base duro-blando de Pearson (HSAB, del inglés Hard-Soft Acid-Base). En términos generales, metales de transición con altos estados de oxidación (duros, de acuerdo con la definición HSAB) forman complejos estables con aniones poco polarizables, como carboxilatos. De la misma forma, metales con bajos estados de oxidación (cobre, zinc, etc.) prefieren ligandos polarizables (como azoles). Mediante la adecuada selección de componentes, es posible construir estructuras con alta estabilidad térmica, mecánica y química. La preparación de MOFs se suele llevar a cabo mediante procesos solvotermales a alta temperatura, en los que la estructura precipita inmediatamente como un polvo escasamente cristalino, con el tratamiento posterior permitiendo la reorganización de la estructura en un material de alta cristalinidad. Una forma de mejorar el proceso es mediante el uso de moduladores, especies monodentadas con la misma funcionalidad que el linker que se añaden en exceso a la mezcla de reacción. De este modo, las moléculas de modulador saturan el centro metálico, por lo que para formar la estructura, el linker debe desplazar progresivamente al modulador. Aunque el proceso está fuertemente favorecido por la precipitación del material, es suficiente para ralentizar de forma significativa la formación del MOF, lo que resulta en una estructura altamente cristalina. El uso de bcmim como linker en la preparación de MOFs se encuentra limitado mayormente a la preparación de estructuras con metales alcalinos, de transición blandos y de transición interna. A pesar de tener grupos quelantes teóricamente duros, la naturaleza zwitteriónica del bcmim le confiere la capacidad de establecer enlaces con los centros metálicos con una amplia variedad de geometrías y modos de coordinación. Unido a la flexibilidad que le confieren los grupos metileno que separan los carboxilatos del anillo central cargado, hacen del bcmim un ligando idóneo para metales del bloque f, cuyo gran radio, baja densidad electrónica y gran cantidad de vacantes de coordinación dificulta la formación de MOFs estables, al igual que para metales alcalinos, que experimentan problemas similares debido a su pequeño tamaño. No existe precedente en la bibliografía describiendo la preparación de MOFs basados en metales de transición duros (titanio, zirconio, hafnio, etc.) con bcmim como linker. La preparación de estas estructuras es de interés, especialmente con zirconio, ya que los MOFs basadas en ligandos carboxilato con este metal (entre las que destaca la familia UiO-6x, utilizando derivados del ácido tereftálico como linkers) tienden a ser altamente estables, lo que facilita su estudio, modificación y apliación. De este modo, se resolvió desarrollar una metodología para la preparación del MOF bcmimZr basada en un protocolo en agua descrito recientemente para el UiO-66. Comúnmente, la preparación de MOFs se lleva a cabo mediante procesos solvotermales a alta temperatura (entre 80 y 120 ºC) durante periodos de tiempo prolongados (de 24 a 72 horas) en disolventes de alto punto de ebullición (como la N,N-dimetilformamida o DMF). Esto tiene un impacto medioambiental significativo, y, aunque la preparación de MOFs es intrínsecamente ineficiente en términos materiales, el uso de disolventes más benignos y un menor gasto energético siempre es deseable. Así, bcmim fue combinado con cloruro de zirconilo (previamente tratado con ácido acético como modulador) a temperatura ambiente durante 24 h, tras las cuales se forzó la precipitación del MOF utilizando metanol, dejando reposar la mezcla en condiciones estáticas durante 24 h adicionales para garantizar la completa formación del producto. Por otra parte, otra prueba fue preparada en ausencia de modulador, con el fin de evaluar la influencia de éste en la cristalinidad y morfología de la estructura obtenida. Los resultados obtenidos fueron dispares; por una parte, de la reacción modulada se obtuvo un material pulverulento incoloro, mientras que la reacción sin modulador resultó en la formación de un gel blanco opaco. Con el fin de estudiar la estructura de ambos materiales, se eliminó el disolvente de ambos y se analizaron por difracción de rayos X en polvo (PXRD, del inglés Powder X-ray Diffraction). De acuerdo con los difractogramas obtenidos, ambas sustancias son diferentes al bcmim y entre sí. El polvo blanco, identificado como bcmimZr, presenta un patrón de difracción similar al del UiO-66, lo que sugiere la formación de una estructura isoreticular a este MOF. Por otra parte, el difractograma del xerogel presenta bandas anchas y poco definidas, que, junto a la formación del gel observada durante la síntesis, sugieren la presencia de un material nanocristalino, con un tamaño de partícula aproximado de 1 nm. La preparación de MOGs ha sido descrita para varios sistemas conocidos, entre los que se encuentran los UiO, MIL y HKUST, y se propone como una alternativa viable para la fabricación de MOFs monolíticos con formas determinadas. En términos más generales, el desarrollo de hidrogeles es de interés por sus potenciales aplicaciones en biomedicina, ciencia de materiales y electrónica. Por ello, se decidió continuar el estudio sobre la formación de MOGs basados en bcmim y zirconio. Con el fin de determinar la dependencia de la formación del gel con diversos parámetros, se llevaron a cabo una serie de experimentos. De estos, se constató la formación de hidrogeles con bcmim, así como su sal sódica (bcmimNa) y clorhidrato (bcmimCl, aunque posterior análisis de los xerogeles formados con este último reveló la presencia de una estructura diferente a la obtenida con el zwitterión). De la misma forma, tanto el cloruro de zirconilo como el cloruro de zirconio son compatibles como fuente de metal. El sistema tolera concentraciones mínimas de zirconio de 0.25% en masa, así como temperaturas de formación de hasta 120 ºC, así como la inclusión de metanol como co- disolvente en el proceso de gelación. Con el fin de determinar la temperatura de transición sol-gel de los MOGs de bcmimZr y su posible dependencia con la concentración de zirconio, tres muestras con concentraciones entre 1 y 0.5 % fueron preparadas y analizadas por DSC desde temperatura ambiente hasta 150 ºC. En ningún caso se observaron eventos térmicos compatibles con transiciones sol-gel, aunque las trazas de los MOGs con 1 y 0.75% de zirconio presentan pequeñas bandas de emisión de calor en torno a 100 ºC, que podrían ser consistentes con una reorganización de la estructura a una de mayor orden. En cualquier caso, de las pruebas anteriores a los análisis por DSC, se estableció que los hidrogeles de bcmimZr son estables al menos hasta 120 ºC durante 24 h, lo que les da una ventaja significativa sobre otros sistemas, cuya tolerancia a la temperatura es significativamente menor (algunos empiezan a descomponerse a tan solo 80 ºC). Dada la alta estabilidad térmica de los MOGs, a la naturaleza iónica del bcmim y la presencia de importantes cantidades de iones cloruro, se consideró la posibilidad de diseñar electrolitos sólidos para baterías basados en hidrogeles de bcmimZr. De este modo, se midió la conductividad eléctrica de los MOGs analizados anteriormente y se comparó con la de un hidrogel basado en zinc descrito en la bibliografía, registrando un valor máximo de 44 mS/cm, significativamente superior al valor obtenido por el material de referencia (32 mS/cm). A fin de estudiar los enlaces presentes en el MOG y el rol del bcmim en la formación del hidrogel, se preparó una muestra al 1% de zirconio en óxido de deuterio y se analizó por RMN. De acuerdo con los resultados obtenidos, la agregación de las partículas para la formación del MOG no parece estar asociada a entrecruzamiento mediante enlaces de hidrógeno con el anillo de imidazolio. Sin embargo, por razones temporales, no fue posible incluir más resultados sobre la caracterización de los MOFs y MOGs de bcmimZr en este manuscrito. Finalmente, se determinó la puntuación EcoScale para la preparación del MOF de bcmimZr y se comparó con una metodología solvotermal representativa para la síntesis del UiO-66. El procedimiento aquí descrito obtuvo una puntuación de 62, frente a los 55 puntos del proceso en DMF, con la diferencia atribuible a la mayor cantidad de disolvente requerido (por la menor solubilidad de los productos en DMF) y la toxicidad de éste.